CN103084424A - 带反向弹簧的剧烈塑性成形挤压工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于通过机械加工制备高性能金属材料技术领域，是在传统的剧烈塑性成形基础上，给试样前端一个合适的背压力（反向弹簧）装置。本发明提出一种新的带背压的等通道角挤压技术，并以制备超细晶AZ31镁合金型材和AZ31镁合金棒材微纳米多晶体为实例进行了说明。

Description

带反向弹簧的剧烈塑性成形挤压工艺

技术领域：

本发明属于通过机械加工制备高性能金属材料技术领域，是在传统的剧烈塑性成形基础上，给试样前端一个合适的背压力（反向弹簧）以提高挤压过程中的静水压力，减少材料内部损伤，从而增加试样的可重复挤压道次，获得更高的应变，更好的晶粒细化效果。 

背景技术：

近几十年来，随着剧烈塑性成形技术的不断兴起与发展，各种剧烈塑性成形工艺已经成功应用于制备高性能金属材料，如往复挤压、转模等通道挤压，反复折皱-压直等一些新工艺。 

但当前剧烈塑性成形工艺存在一定的问题，最为突出的就是剧烈变形过程中材料损伤严重，塑性降低，容易发生破坏。为了防止挤压过程中材料发生破坏增加材料的致密性，获得更加优良的高性能材料，在挤压过程施加背压是重要的解决方案之一。近期的研究表明，采用背压的挤压方式可以有效增加挤压过程中材料内部的静水压力，提高塑性，有效降低挤压损伤，提高材料的致密性，进一步细化晶粒。目前施加背压的方式主要有接触摩擦（图1a）、组合模具提供背压（图1b）、通过减径变通道提供背压（图1c）及通过顶杆提供背压(图1d)。 

虽然上述背压方式可以有效的提供背压力，但都存在一定的问题，摩擦提供背压主要依靠摩擦力，会造成材料变形不均匀程度上升，组合模具无法实现在不同的位置施加不同的背压，同时模具成本显著提高，减径角变通道提供背压使材料横截面积发生变化，无法实现多道次成形，顶杆提供背压需要增加施加反向背压的液压装置，成本较高。 

本发明正是在此背景下提出，在等径角挤模具末端通过反向弹簧施加背压，显著提高背压施加效率，同时降低成本低，易于操作，有效改善等径角挤微观组织。 

发明内容：

剧烈塑性变形过程中，由此损伤造成材质塑性下降，变形难度加大，致使晶粒还没达到饱和就发生材料破坏，晶粒得不到最大限度的细化，为了降低材料的损伤，在模具出口通道施加一个强力弹簧，以此提高变形过程中的静水压力，具体结构如图2所示。 

本发明的优点：本发明模具配有弹簧增压的背压装置，通过弹簧对试样施加背压，背压弹簧可以插入出口通道内，在试样发生90°剪切挤压的同时施加背压，可以使试样受力均匀，组织均匀性扩得较大提高，并使挤压试样变形量有所提高，有利于晶粒细化。同时，在背压的作用下，使试样处于三向应力状态，塑性更好，可以防止裂纹的萌生和扩展，从而提高了材料的综合力学性能。 

本发明可以通过模具组合直接应用于传统挤压设备，无需额外设备投资，非常适合中小挤压生产企业依托现有设备进行的技术改造和升级。 

工作原理：等径角挤剧烈塑性成形纳米多晶体过程中，由于剧烈的剪切作用造成材料内部损伤，引起材料强度降低，显著影响工艺性。施加反向背压可以有效提高形变金属的静水压力，调整变形区应力状态，改善应力三轴度，增加材料的致密性，提高塑性，有效降低挤压损伤，细化晶粒。材料弹簧挡板设计，可以有效施加背压，同时工装简单，成本低，易于实现。 

本发明主要包括以下内容： 

一：等径角挤模具的制造选择。针对所需金属材料的几何尺寸及组织性能的要求，设计制备相应的等径角挤压模具。模具设计制造参考等径角挤模具设 计规范，可以设计圆截面也可以设计方截面等通道角挤压模，本发明对两种截面的等通道角挤压模具均适用。如图2零件1。 

二：背压挡板的设计加工。本发明包括直角背压挡板一块，该挡板根据模具材料出口高度设计，一侧与模架通过螺钉及销钉固定，另一侧与强力弹簧相连，如图2零件3。 

三：强力弹簧的选择及连接。本发明弹簧选用强力弹簧，弹簧刚度根据实验所用材料及工艺进行调整，并可随时更换。如图2零件2。 

四：强力弹簧的连接及装置的对中装配。弹簧通过螺钉等与挡板连接，此间注意调整弹簧高度与模具材料出口匹配，同时固定挡板。对于低流动应力材料弹簧可直接至于模具材料出口通道，保证弹簧与挡板直接接触即可。附图说明：图1a）为摩擦提供背压装置示意图，图1b）组合模具提供背压装置示意图，图1c）减径通道提供背压装置示意图，图1d)顶杆提供背压装置示意图；图2为配有弹簧增压的背压装置示意图，1模具2强力弹簧3挡板4模架。 

具体实施方式

本专利具体实施过程中涉及合金坯料的制备、挤压设备的选择、挤压模具的制造、挤压工艺的设计制定、剧烈塑性成形以及挤压后的材料组织结构及性能的测试分析等，主要包括： 

一：坯料的制备、设备选型及模具的制造。根据最终成形构件的几何尺寸设计加工相应的金属坯料。同时根据最终成形构件的结构完成挤压力的计算及挤压设备的选型。 

二：等径角挤压剧烈塑性成形。在出口通道处插入弹簧，并固定弹簧另一端，将坯料置于模具通道中，通过相应的挤压设备根据所设计的加工工艺进行剧烈塑性变形。在此需要注意的是剧烈塑性成形过程需要配合良好的润滑，可 选用二硫化钼或高性能纳米润滑剂。 

三：材料组织性能测试分析。对完成加工过程的材进行宏观材料性能及微观组织测试，分析最终材料性能及组织特点，对于未满足设计要求的型材进行进一步可重复上述加工工艺进行重新加工，也可以通过改变本发明所用弹簧刚度，调整背压施加载荷以控制材料组织。 

四：最终成形件的表面处理、截断及后继加工。对于经测试分析的材料进行表面处理，并根据零件尺寸进行截断及后继加工。 

实施例1 

边长10mm正方形截面制备超细晶AZ31镁合金型材。由于镁合金是密排六方结构，只有3个可动滑移系和2个独立的滑移系，室温延展性差，限制了镁合金的广泛应用。根据Hall-Petch关系，镁合金的细化晶粒强化效果比较好，因此，对镁合金进行ECAP变形，细化晶粒，提高力学性能，成为制备高性能镁合金的一个重要的方向。 

首先制备截面为正方形的镁合金型材。考虑到表面质量及后继表面处理加工精度的要求，可选择11×11mm的正方形截面镁合金棒材，导r＝1mm圆角，长度可根据实际需求确定。其次计算挤压力，根据挤压力及生产条件选择挤压设备和合适的弹簧，并加工制造相应的转模等通道挤压模具，在满足挤压吨位的要求下，挤压设备既可选用立式也可选用卧式挤压机。对于AZ31镁合金可选用多道次剧烈塑性成形工艺，成形过程中每道次均根据本发明通过弹簧挡板施加背压，同时可根据挤压温度及道次的不同选用不同刚度的强力弹簧，挤压道次可选择3-4道次，背压强力弹簧刚度可依道次不断提高。同时实验过程中润滑可选用二硫化钼或高性能纳米润滑剂。最终通过组织性能测试确定微观组织满 足设计要求后，如对表面质量有要求则可通过机械加工方式对所加工试样进行表面处理，否则正方形截面AZ31镁合金型材材微纳米多晶块体可直接交货。 

实施例2 

制备直径10mm圆形截面AZ31镁合金棒材微纳米多晶体。AZ31镁合金在实用金属材料中密度最低，比强度和比刚度很高，而且阻尼性好，在汽车和航天器上的应用有很大发展潜力。但镁合金塑性能力较差是阻碍镁合金发展的一个重要因素。施加一定背压的等通道角挤压能够能降低变形难度，改善材料性能。 

首先制备圆形形截面的镁合金棒材。可选择直径11mm的圆形形截面镁合金棒材，长度根据实际需求确定。此后进行挤压力的计算，并根据挤压力及生产条件选择挤压设备和弹簧并加工制造相应的挤压模具，挤压设备既可选用立式也可选用卧式挤压机。 

根据挤压工艺进行剧烈塑性成形，加工制造AZ31镁合金型材微纳米多晶体。挤压过程中，可按照等径角的有关工艺进行成形，润滑可选用二硫化钼或高性能纳米润滑剂。成形过程中每道次均根据本发明通过弹簧挡板施加背压，同时可根据挤压温度及道次的不同选用不同刚度的强力弹簧，挤压道次可选择3-4道次，背压强力弹簧刚度可依道次不断提高。在此基础上，通过组织性能测试确定微观组织，如组织性能满足要求则可通过机械加工方式对所加工棒材进行表面处理并按要求截断交货。 

Claims (1)

1.本发明在传统等通道角挤压的基础上,提出一种加背压弹簧的等通道挤压结构，通过弹簧对试样施加背压，背压弹簧可以插入出口通道内，在试样发生90°剪切挤压的同时施加背压，可以使试样受力均匀，组织均匀性扩得较大提高，并使挤压试样变形量有所提高，有利于晶粒细化。同时，在背压的作用下，使试样处于三向应力状态，塑性更好，可以防止裂纹的萌生和扩展，从而提高了材料的综合力学性能。

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